一种针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于激光焊接动态监控领域，具体地，涉及一种针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统。
【背景技术】
[0002]在航空航天制造领域中，为了适应飞行器的气动外形及流线形态，复杂曲线构件的应用非常广泛，如飞行器蒙皮、尾翼、内部桁条支撑等部件均具有类似的结构特征。同时，由于航空航天制造业中对飞行器的重量控制几近苛刻，复杂曲线构件多为薄壁构件，对焊接热输入的控制非常严格，采用激光焊接的方式可以有效的实现低热输入高效焊接。
[0003]然而，由于复杂曲线构件的焊缝多为空间曲线，使用传统的示教法实施焊接存在较大位置偏差。这样的位置偏差对于施焊精度要求很高的激光焊存在很大影响，即有可能导致激光焊局部散焦从而无法焊透构件，也有可能造成光束位置偏移造成焊接位置不准以及拼缝偏移。一旦出现局部散焦或焊接位置失准对构件的焊接效果有极大影响，将会导致构件服役水平急剧下降，从而影响整个飞行器的使用寿命。
[0004]解决示教曲线同实际空间曲线偏差的研究已有一定的进展，然而均存在自身局限性:采用全焊缝离线编程的方式虽然能够很好的适应复杂曲线的结构要求，然而需要准确获得路径曲线函数，而这一过程在很多复杂曲线焊接中均是不现实的；前置引导光的方式虽然能够一定程度上改善局部散焦，却受限于构件外形曲率对引导光的遮挡而无法全面适用;众多自适应路径跟踪焊接头也存在制造难度高，应用适应性较差的问题。
[0005]因此，当前针对复杂构件激光焊接局部散焦以及光束与拼缝偏移问题，缺乏行之有效的解决措施，而该问题对大尺寸薄壁构件的生产又存在重要影响，有必要研究一种能够实时调整局部散焦与拼缝的偏移问题的监控系统。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统，由此解决复杂曲面构件激光焊接的局部散焦以及光束与拼缝的偏移问题，从而保证空间曲线焊缝激光焊接全过程准确聚焦，以实现全焊缝稳定熔透，得到高质量焊缝。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供一种复杂空间曲线焊缝实时监测系统，该系统由激光焊接头、机器人、影像采集设备、图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元、机器人控制单元组成。通过输出偏移校正指令到机器人，驱动机器人完成相应补偿路径行走动作，不断修正散焦状态。重复上述过程，保证激光焊接过程准确按照规划的焊接路径实施。
[0008]优选地，激光焊接实时在线监控系统的激光器可以是使用光纤传输的激光器，例如光纤激光器、半导体激光器、DISK激光器等。激光器可以采用连续激光的出光方式或者间歇激光的出光方式。
[0009]优选地，激光器为中高功率激光器，最大输出功率可达4000W。
[0010]优选地，激光焊接实时在线监控系统的激光焊接头为单激光焊接头，能够通过输出激光将工件熔化，伴随相应的物理化学过程实现连接。
[0011 ]优选地，激光焊接实时在线监控系统的机器人，为五轴联动机器人，能够实现复杂曲线路径运动。
[0012]优先地，通过在影像采集设备镜头前加入适当滤片后，可以过滤焊接产生的强光以及干扰光等，获取真实清晰的焊接头与工件相对形位。
[0013]优先地，影像采集设备被设置合理的采集频率并获得激光焊关键时刻所匹配的分析用图像，所拍摄图像可实时传送到图像处理单元。
[0014]优选的，影像采集设备可以选用两台CCD高速摄像机来完成数个垂直平面上的焊接实时在线监控，以此来实现三维空间的实时修正焊接点散焦状态，改善光束与拼缝的偏移冋题。
[0015]本实用新型提出的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统，针对目前复杂构件激光焊接中的局部以及光束与拼缝的偏移问题，通过实时在线监测及相应补偿矢量的计算和加载，实现激光焊接全过程精确焊接，具有以下诸多技术与经济方面的有益效果:
[0016](I)解决局部散焦以及光束与拼缝偏移等空间曲线焊缝焊接问题。本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统主要针对复杂曲面构件激光焊接的局部散焦以及光束与拼缝偏移问题。其目的在于最大程度上改善由于局部散焦导致的熔深不足及由于光斑位置偏差造成的焊接成型不良等问题。本实用新型的实时在线监测，可以对任意关键时间点的焊接头形位加以标定，并以此为依据调整焊接头同工件的相对形位，从而解决局部散焦以及光束与拼缝偏移问题。
[0017](2)实现更加精准的激光加工控制。通过实时监控系统的加入，对激光焊接系统的自适应调控能力是一个巨大的促进。由于这样的自洽调节能力的提升，针对复杂空间曲线的质量将会获得相应提升。
[0018](3)提升焊接效率。本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统可以较好的控制局部散焦并提高焊接质量，将会减轻传统的示教法所带来的额外的工作量。在后续复杂空间曲面构件激光焊接过程中，无需进行严格的曲线拟合及分段，而可以用一较为粗略的二次曲线代替行走路径，再由针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统对路径进行实时调节即可。
[0019](4)集成化程度高。本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统将焊接实施、形位监测、过程分析、反馈调节等步骤进行了有效集成，使得工程人员能够方便的进行使用。
[0020](5)适用性强。本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统是一种针对空间曲面构件的实时监控系统，其应用不受材料属性、材料板厚、材料表面状态等问题的限制，具有良好的适应性。
【附图说明】
[0021]图1示出的是本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统示意图；
[0022]图2示出的是本实用新型的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统运行流程图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]参看图1，本实施例中，该在线监控系统的硬件平台包括激光焊接头、机器人，采用CCD高速摄像机作为影像采集设备，图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元在同一台计算机内实现，机器人控制单元作为单独的设备实现。本实施例采用图像处理单元实现灰度处理、图像滤波降噪和激光焊接施焊位置、焊接头出光点位置的特征信息提取;数据处理单元与反馈调节单元进行补偿矢量的计算与分解，生成补偿动作;最后通过机器人控制单元根据反馈调节单元传来的指令，向焊接机器人发出校正指令。该系统的目的是通过实时拍摄焊接头与工件的相对形位，对实际形位同规划形位比对，计算回归规划路径所需的补偿矢量，继而将该矢量加载于机器人上以调节机器人按照预定轨迹进行焊接。
[0025]具体地，参看图1，激光加工设备由机器人、激光焊接头、工件组成。其中待加工工件一般体积较大且为复杂空间曲面构件，此类构件的焊缝为空间曲线且难以通过解析表达式表示其轮廓。其中，机器人为五轴联动机器人，具有三方向直线及两个角度转动自由度。该机器人在焊接复杂空间曲面构件时能够满足路径的可达性需求，然而需要预设行走轨迹。激光焊接头为加工终端设备，附加于机器人上，同机器人端部保持相对静止，随机器人移动。在激光焊接过程中，首先由机器人按照预设轨迹进行运动，同时，激光焊接头依据预先初始程序开始出光，对工件进行焊接。
[0026]影像采集设备的主体为两台拍摄面垂直的CCD高速摄像机，伴以辅助光源、滤光片、广角镜头等相关附件，对激光焊接过程进行实